A Closer Look at the Design of Cutterheads for Hard Rock Tunnel-Boring Machines

在隧道项目中,隧道掘进机(TBM)能否顺利施工取决于TBM系统所有部件(从刀具到后备系统)能否正常运转,并取决于全部机车车辆的配合。而在整个TBM系统中,刀盘是影响TBM施工效率最为关键的因素。刀盘的设计影响到掘削效率、刀盘平衡、刀具使用寿命、主轴承/齿轮箱维护、出渣效果、面刀和边刀/排渣铲斗的磨损情况。总体来说,刀盘设计对掘进速度(ROP)、机器利用率(U)及每日进尺(AR)有重要影响。尽管当前可用文献中已就盘形滚刀、切削力、刀盘的某些设计特征做了讨论,但与本论题相关的文献却十分有限,这是因为刀盘的设计主要由隧道掘进机制造商负责,大部分设计工艺都属制造商专有,虽然本论题当前大受关注,但岩石隧道掘进机的设计对终端客户而言仍是个谜题。本文将试着阐明设计中的基本概念,虽不足以帮助读者进行成熟设计,却可助工程师与承包商理解设计步骤中的构思过程、合理设计中应注意的事项以及刀盘设计对于隧道掘进机运行及寿命周期的意义。

掘进机刀盘滚刀间距对北山花岗岩破岩效率的影响实验研究

掘进机(TBM)开挖隧道过程中,其刀盘上滚刀间距设计的合适与否关系着破岩效率的高低。由于岩石非均匀、非连续、各项异性的特性,使用数值模拟方法研究滚刀破岩过程存在局限性。现场掘进实验主要是针对特定的掘进机做出机械运行参数优化,无法研究不同刀间距对破岩的影响。全尺寸滚刀破岩实验可以人为调整刀间距,且实验中采用大体积岩石可以避免尺寸效应的影响,因此受到了广泛的关注。采用北京工业大学自制的机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)盘形滚刀,选取尺寸为1000 mm×1000 mm×600 mm的北山完整花岗岩试样,进行了5组刀间距的线性切割试验。实验中采集滚刀三向力,分层收集岩片且对其进行称重。对不同刀间距作用下的平均法向力、平均滚动力和比能进行了分析研究。当贯入度较小时,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响都不明显,随着贯入度的增加,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响增加。对于所有的刀间距而言,增加贯入度会产生更多的岩片,但并不一定会提高破岩效率,对于北山花岗岩而言,当刀间距与贯入度的比值为30左右时,比能值最低,此时破岩效率最高。

不同贯入度对掘进机滚刀破岩效率的影响

为了研究不同贯入度对破岩效率的影响,应用机械破岩试验平台,安装17英寸（432 mm）的常切面盘形滚刀,选取80 mm的滚刀间距,以0.5 mm为间隔,从0.5~3.5 mm分7个不同级次的贯入度对北山花岗岩进行线性切割试验,试样长×宽×高分别为1 000 mm×1 000 mm×600 mm。试验中记录滚刀的三向力并分层收集岩片,从平均法向力、平均滚动力、比能、岩片块度及形状的变化,分析了贯入度对滚刀破岩效率的影响,总结了滚刀在切割试验岩样时贯入度对滚刀力的影响规律。研究结果表明,当贯入度增加到一定的程度后单纯地增加贯入度并不能无限地提高破岩效率。

基于ABAQUS的岩石滚刀实验机最优刀间距分析

目的利用有限元软件ABAQUS模拟岩石滚刀实验机破岩机理来确定最优刀间距.方法建立了双滚刀岩石实验机的有限元模型,分析了岩石滚刀实验机的破岩机理、破岩中比能变化过程.结果滚刀切削岩石时,比能随着滚动长度的增大而增加,当滚动长度达到100 mm后,比能值基本稳定.比能值随着滚刀间距的增大先降低后增大,滚刀间距为50 mm时,比能值最小,随后比能值随滚刀间距增大而增大,直到滚刀间距达到70 mm后,比能值基本稳定.结论 50 mm是本模拟实验滚刀间距最佳值,此时两把滚刀形成的破碎区贯通,且整个破碎区最大,比能值最小.

盘形滚刀的使用与研究(1)——TB880E型掘进机在秦岭隧道施工中的应用

秦岭隧道出口TBM施工中,对刀具的使用进行了深入的研究,在提高TBM的利用率和掘进速度以及刀具使用寿命方面取得了明显的效果,并形成了适合我国隧道施工情况的刀具使用作业程序。

4YB-Ⅰ型甘蓝收获机的总体设计

为实现我国甘蓝收获的机械化,降低农民的劳动强度,本设计从实际需要出发,应用Pro/E软件,对4YB-Ⅰ型甘蓝收获机整机及主要部件进行了三维实体设计,并对其主要工作部件收集机构、圆盘割刀、压顶导正机构、提升机构等进行了设计计算,确定了主要技术参数.模拟结果表明:该收获机可实现对整棵甘蓝的收集、拔取、切根及运输.

高速旋转圆盘刀具薄刀片横向振动的有限元分析

针对高速旋转圆盘刀具薄刀片实际工作时存在的横向振动问题,应用有限元方法及实验测量进行了研究。利用单元正方化扇形网格划分方法,对薄刀片划分单元,并应用拉格朗日方程建立了高速旋转圆盘薄片刀具薄刀片的动力学方程。通过对该动力学方程的分析,确定了薄片圆盘刀具系统的静态和动态特性。利用专门设计、制造的试验装置,对圆盘薄片刀具系统的静态和动态特性进行了测量,并将测量数据与理论分析进行了对比。结果表明:建立的薄片圆盘刀具系统的动力学方程是正确的。

圆盘式茎秆切割器研究进展

圆盘式切割器作为农作物收获机械上重要组成部件之一,其性能对提高收获机械作业率及降低收获损失等方面都具有很大的意义。为此,从目前国内外圆盘式茎秆切割器研究现状出发,重点介绍了圆盘式切割器在甘蔗收获、玉米茎秆收获理论与试验等方面的研究进展,并在此基础上对圆盘式切割器应用前景给出了建议。

移动式林间剩余物盘式粉碎机切削功率的理论研究

鉴于生物质发电对环境和能源的影响,提出设计一台移动式林间剩余物粉碎机;通过对比盘式粉碎机和鼓式粉碎机的优缺点以及两者对切削功率的影响,确定粉碎机构;对盘式粉碎机刀盘和飞刀的关键参数进行了分析,并建立刀盘与飞刀的三维模型;以松木为例,采用经验分析法,计算了盘式粉碎机从不同角度进料时的切削力和切削功率,为移动式林间剩余物盘式粉碎机的研究提供一定的理论依据。

高速回转圆盘薄片刀具横向振动的控制

针对圆盘薄片刀具的横向振动,根据流体动压润滑理论,研究了一种圆盘薄片刀具横向振动控制器,利用刀具的高速回转运动和横向振动形成流体压力膜,抑制刀具的横向振动.理论分析和实验测量结果表明,这种利用流体动压润滑原理工作的控制器可以有效地减少刀具横向振动的幅值,而流体压力膜抑制刀具横向振动的效果与控制器中楔形板的结构有关.

土压平衡盾构砂卵石处理模式及应用分析

与软土地层相比,因砂卵石地层具有卵石直径大、强度高、流动性差、摩擦系数大、黏聚力小等特点,施工中面临大直径卵石排出困难、刀具磨损厉害、刀盘扭矩过大和掘进效率低等问题。其中,盾构机械的磨损和大直径卵石的排出困难最为突出。这些问题与盾构机的选型直接相关,其中,最重要的是刀盘、刀具的布置形式和螺旋输送机的选择。为在盾构选型阶段有针对地提出一些解决措施,详细分析"以破碎卵石为主"和"以疏导、通过和排出卵石为主"的两种卵石处理模式,并提出每种模式下土压平衡盾构刀盘、刀具和螺旋输送机所具备的特性,同时分析两种模式各自的优势、不足和适用范围。最后以国内某砂卵石地层土压平衡盾构选型和施工为例,分析其盾构选型和施工中存在的问题,并建议该地层后续盾构选型时采用"以疏导、通过和排出卵石为主"的砂卵石处理模式,并对盾构机的关键设备提出相应要求。

加工圆柱螺旋曲面用盘形铣刀廓形设计的向量法

采用盘形铣刀加工圆柱螺旋曲面，工件上的螺旋曲面是盘形刀具切削刃回转面螺旋运动所形成的包络，两个面在空间相对运动的任一瞬时必沿一条曲线相切，此曲线称为接触线。接触线缆工件轴心线作螺旋运动，便形成工件的螺旋曲面，绕刀具轴心线回转便形成刀具回转面。依照有关文献的解析法，建立了一套加工圆柱螺旋曲面用盘形铣刀廓形设计的向量法。经实例应用，表明向量法具有直观。简捷、形象、实用等优点，对无专用数控机床的中小型机械制造厂提高单螺杆式机械的制造质量，具有普遍实用性。

油菜联合收割机高速切割器创新设计

分析了我国当前油菜联合收割机割刀的切割原理,并针对其原理性缺陷提出了全新的改进方案。用回转式圆盘切割器替代传统的往复摆动式切割器,使其对油菜秆茎的切割由"大进给量不连续低速、变速切割",转变为"微进给量高速、匀速连续切割"。为此,以割幅为1600mm的油菜收割机为例,给出了并联回转式圆盘切割器的原理图,并对其中的主要参数进行了设计计算,为解决当前油菜收割机的高损失率问题提供了全新的设计思路。

螺旋锥齿轮端铣加工刀位计算方法（英文）

针对螺旋锥齿轮在数控加工中心上加工效率低的问题,提出利用盘状铣刀对螺旋锥齿轮进行端铣的加工方法。由螺旋锥齿轮齿面及刀具的几何特征,调整铣刀与被加工齿面的相对位置,使齿面与刀具包络面的法截面相对法曲率最小,增大切削带宽,同时控制刀轴矢量调整切削深度避免加工干涉。最后将规划的加工刀位转化到数控机床轴上,利用VERICUT进行加工仿真验证该方法的可行性与正确性。

高效盘形齿轮铣刀切削力的研究

利用盘形成形齿轮铣刀在铣齿机上加工齿轮是提高齿轮加工效率有效途径。铣削力是其中的关键因素。研究了齿轮铣削中的顺铣和逆铣两种工艺方法,推导了铣削力计算公式。实验结果表明:计算的铣削力与实际铣削力基本吻合,该铣削力计算公式可以为铣削工艺选择提供参考。

基于运动原理计算加工螺旋槽用成型盘铣刀刀具廓型线方法研究

从运动原理出发,通过分析螺旋槽加工中工件、刀具的运动合成关系,在确立相对速度计算方法后,将合成速度的运动特点与工件、刀具加工中的接触条件及共轭特性相结合,推导出盘型铣刀轴向廓型理论计算公式。

基于正交数值模拟的碟盘刀具破碎煤岩性能评价

为探究不同运动参数交互作用下碟盘刀具破碎煤岩的性能,根据进给速度、振动幅值和频率这3个运动参数,设计了3参数5水平的25组正交数值模拟实验。通过对碟盘刀具振动切削煤岩的数值模拟,给出了一种可赋予不同权重评价指标的改进功效系数法。在未考虑碟盘刀具生产率的条件下,采用功效系数法综合分析了峰值均值、曲线均值、小波能量熵和盒维数4个评价指标对破碎煤岩性能的影响。结果表明,进给速度、振动频率和幅值对破碎性能的影响依次减小,获得了破碎性能较好的不同参数组合。该研究为碟盘刀具多参数优化提供了参考。

高效干式切法盘形齿轮铣刀铣削力的研究

利用干式盘形成形齿轮铣刀在铣齿机上加工齿轮是提高齿轮加工效率有效途径。铣削力是其中的关键因素。研究了齿轮铣削中的顺铣和逆铣两种工艺方法,推导了铣削力计算公式。实验验证,计算的铣削力与实际铣削力基本吻合,该铣削力计算公式可以为铣削工艺选择提供参考。

蜂窝复合材料构件超声切割圆盘刀对声学系统的影响

为探讨超声切割圆盘刀几何参数变化对声学系统稳定性的影响,对圆盘刀几何参数对声学系统谐振频率和振幅的影响规律进行研究。通过石墨粉振动试验确定圆盘刀超声切割声学系统振型;通过仿真和实验研究圆盘刀厚度、楔角以及直径对声学系统谐振频率和振幅的影响,并结合田口方法分析圆盘刀几何参数对谐振频率和振幅影响的主次要关系;通过回归分析方法研究圆盘刀几何参数与谐振频率的线性关系,为圆盘刀的设计提供理论指导。结果表明:随着圆盘刀厚度的增加,超声切割声学系统的谐振频率和振幅增大;圆盘刀楔角增大,谐振频率和振幅呈下降趋势;圆盘刀直径增大,谐振频率呈下降趋势,而振幅无确定变化规律;圆盘刀直径对谐振频率和振幅影响最为显著。

SolidWorks的二次开发与应用

讨论了对CAD软件进行二次开发的必要性,介绍了利用VisualBasic对SolidWorks进行二次开发的一般方法,对于设计人员来说具有一定的参考价值和现实意义。